4.4 ショア硬さ

4.4 ショア硬さ(Shore hardness ; HS)

 

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ショア硬さ試験機は、工場の現場でよく使われます。

 

1.ショア硬さとは

ショア硬さは、1906年アメリカ合衆国のショア(A.F.Shore)が、考案しました。JIS規格で規定されている4種類の硬さのうち、ブリネル硬さ、ロックウェル硬さ、ビッカース硬さが静的な押込み硬さなのに比較して、ショア硬さは動的な反発係数を利用した硬さです。

ショア硬さの試験方法はJIS Z2246「ショア硬さ試験-試験方法」に、試験機はJIS B7727「ショア硬さ試験-試験機の検証」、基準片の校正についてはJIS B7731「ショア硬さ試験-基準片の校正」に規定されています。

 

2.ショア硬さの定義と種類

ショア硬さ試験機の原理は、一定の形状と質量のダイヤモンドハンマーを、一定の高さから試料に垂直に落下させたときの跳ね上がり高さを尺度とする動的反発硬さ試験方法です。

JIS規格では、跳ね上がりの高さを直接目盛りで読むC形とダイヤルの指示を読むD形とがあります。

ショア硬さは次式により硬さを算出します。

\( HS=k \times \displaystyle\frac{ h }{ h_{ 0 }} \)

ここで、

\( HS \):ショア硬さ

\( k \) :変換係数(C型;10000/65,D型;140)

\( h_{ 0 } \):ハンマーの落下高さ

\( h \) :ハンマーの跳ね上がり高さ

 

硬さの基準は、焼入れした高炭素鋼を試料として、C型試験機を用います。

10inch(254mm)の高さからハンマーを落下させた際、跳ね上がり高さが6.5inch(165mm)になるときのショア硬さを100、跳ね上がり高さが0を0として、6.5inchを100等分して硬さを決定したと言われています。

現在では、ショア硬さ100以上の材料が多くありますので、試験機の目盛は140くらいまで設けられています。

 

3.ショア硬さの特徴

ショア硬さは、ハンマーの跳ね上がり高さを硬さの目盛として直接読み取るので、軟らかい金属から焼入鋼まで、一つの尺度で測定・比較ができます。

試験機は比較的安価で、小型軽量で持ち運びが可能です。計測筒だけで試験ができるので、大型試料の測定が可能です。また、くぼみが浅く目立たない(深さ13~70μm程度)ので、製品測定にも適しています。

ただ、測定値は試験条件(試料への計測筒の押付け力、試料の表面仕上げ状態、試料の質量・厚さなど)に著しく影響を受けます。測定値の信頼性を高めるには、基準片による試験機の管理や測定値の補正が必要です。

ここで注意しなければならないのは、ショア硬さを比較できるのは、弾性率がほぼ同じ材料の場合です。例えば、SS400とゴムとを比べると、ゴムの方が弾性率が大きいのでゴムの方が固いという結果になってしまいます。

 

4.ショア硬さ試験機の構造

4.1 C型

C型計測筒は、内径約6mm のガラス管表面に目盛が印されています。この中に先端が球状のダイヤモンド圧子を取り付けた長さが約20mmのハンマー(円筒状の打撃体)が入っています。

このガラス管中を落下するハンマーの跳ね上がり高さを目視で瞬間的に読み取ります。

D型と比較すると、ハンマーの質量が小さく、試料の質量による硬さの値の変化は少ないですが、目測で読むため熟練が必要でした。

(管理人が、働きだしたころ、40年以上前ですが、硬さ計はショア硬さ計のC型しか持っていませんでした。典型的な中小企業で、大量生産する会社でもなかったので、寸法測定以外の計測器はとても貧弱でした。とても読み取りがうまい名人がいて、感心したのを覚えています。)

 

4.2 D型

D型試験機のハンマーは直径8mmの円筒形の鋼製で、先端にダイヤモンド圧子が取り付けられています。

ハンマーが試料に衝突した後、跳ね上がってダイヤルゲージのスピンドルを押上げることにより、ハンマーの跳ね上がり高さに応じた値をダイヤルゲージの指針が示します。

D型試験機の方が、C型より取り扱いが簡単ですので、D型の方が利用率が圧倒的に多いです。

図1 D型ショア硬さ計

 

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4.ショア硬さの精度保証

ショア硬さは、本来精密性よりも携行性などの利便性が使用する目的のため、基準の管理が難しいことがあげられます。ヨーロッパでは現在ほとんど使われなくなっており、また、アメリカにおいては4つのスケールにわかれる等の混乱が見られます。

日本ではショア硬さ基準を精密測定が可能なビッカース硬さに依存する方法が開発されました。このことにより、日本ではショア硬さ試験が現場を中心に浸透しています。この方式は硬さ均一性の良いビッカース硬さ基準片を、国内の比較的信頼性の高いショア硬度計多数で測定した結果からHV-HSの換算式(VHS方式)を導入したもので、基準片規格(JIS B 7731)に定められています。

日本では測定値にC形,D形の区別の必要が特にないのも、VHS方式によることが大きな特徴となっています。厳密なHV-HS換算関係を実現するため、基準片の鋼種がJIS規格に定められており、硬さが30~95HSの範囲には共析炭素鋼(SK5),100HSには過共析炭素鋼(SK2)が用いられます。

 

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まとめ

・ショア硬さは、動的反発硬さに分類されます。

・跳ね上がり高さの目盛りを直接読むC型と、ダイヤルゲージに指示されるD型とがあります。現在では、D型が圧倒的に利用されています。

・試料につける傷が比較的小さいので、製品の硬さ測定にも用いられます。

 

 

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硬さ入門INDEX

4.硬さの測定方法
 4.1ブリネル硬さ
 4.2ロックウェル硬さ
 4.3ビッカース硬さ
 4.4ショア硬さ
 4.5その他の測定方法
  (1)ヌープ硬さ
  (2)スクラッチ硬さ
  (3)モース硬さ
  (4)やすり硬さ
  (5)鉛筆硬度

 

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参考文献
材料試験硬さの系統化調査   国立科学博物館技術の系統化調査報告 第14集  2009年

 

引用図表
図1 D型ショア硬さ計   (株)仲井精機製作所様カタログ

 

REV:2021/08/21; 全面書き換え
ORG:2014/12/31